气候变化下跨流域调水工程水资源配置与污染控制的综合框架

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：An integrated framework for water allocation and pollution control in inter-basin transfer projects under climate change

　　

研究区域为黄河流域（Yellow River Basin, YRB），涉及南水北调工程（South-to-North Water Diversion Project, SNWDP）的调水。研究重点：本研究提出一个多模型框架，用于气候变化下跨流域调水工程的水资源配置与污染控制。该框架整合了InVEST-PLUS模型，以预测不同共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways, SSPs）下的产水量。进一步耦合了区间模糊-可信度约束双层灵活规划（Interval Fuzzy-Credibility Constrained Bi-Level Flexible Programming, IFBFP）模型，以应对气候不确定性和层次决策冲突。区域新的水文见解：结果表明，气候变率是产水量变化的主要驱动因素，不同气候情景间观察到统计学显著差异（p < 0.01）。SSP1–1.9下的产水量平均为705.4×10⁸ m³/年，而SSP2–4.5下为412.4×10⁸ m³/年，SSP5–8.5下为560.2×10⁸ m³/年。南水北调西线工程在缺水情景下缓解了水资源短缺，但使污染物负荷增加了42.0%–79.9%，而在水资源充足条件下仅适度增加1.0%–18.4%。所提出的框架能够容纳不同决策者的风险偏好，为黄河流域及类似跨流域调水系统的气候适应性水治理的情景评估提供了可转移的方法论。

气候变化加剧了全球水资源不安全，特别是对实现2030年可持续发展目标（SDG6和SDG13）的国家影响显著。黄河流域（Yellow River Basin, YRB）作为中国北方重要水资源系统，面临降水变率增大、极端水文事件频发和水供需失衡等问题。南水北调工程（South-to-North Water Diversion Project, SNWDP）是缓解该区域水资源短缺的关键跨流域调水工程，然而现有研究存在两个关键缺口：一是多数研究将南水北调能力视为刚性约束或简单区间参数，未能捕捉其在实际运行中的灵活性和动态性；二是多数优化研究使用历史记录表征水资源可利用性，忽视了未来气候变化对降水和蒸散发的深远影响，可能导致系统性的配置偏差。为填补这些空白，研究人员提出一个综合框架，用于气候变化下跨流域调水工程的水资源配置与污染控制，并发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

研究人员开展了以下研究：首先，采用耦合的InVEST-PLUS模型，基于三个全球气候模型（Global Climate Models, GCMs：MRI-ESM2-0、GFDL-ESM4、EC-Earth3）和三个共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways, SSPs：SSP1–1.9、SSP2–4.5、SSP5–8.5），以及四个土地利用情景（自然发展ND、城镇化发展UD、协调发展CD、生态优先EP），预测黄河流域2030年多情景下的产水量。其次，构建了区间模糊-可信度约束双层灵活规划（Interval Fuzzy-Credibility Constrained Bi-Level Flexible Programming, IFBFP）模型，集成了区间参数规划（IPP）、模糊可信度规划（FCP）和灵活模糊规划（FFP），以处理气候不确定性、调水容量灵活性和层次决策冲突。该模型上层目标最大化全流域供水效益，下层目标最小化污染物排放，反映流域治理中的协调-实施动态。模型求解采用交互式算法，将模糊约束转换为确定性模型，并分解为上下界子模型。关键参数包括置信度水平λ和满意度度φ，用于表征决策者风险偏好。

研究结果如下：
1. 产水量预测结果（Results of water yield projection）：通过InVEST-PLUS模型验证，最适Z参数为4.0，决定系数R2=0.93，均方根误差RMSE=34.73×10? m3。产水量变化主要由气候因子驱动，气候情景间差异高度显著（p<0.01），而土地利用情景间差异不显著（p>0.05）。SSP1–1.9下平均产水量最高（705.4×10? m3/年），SSP2–4.5最低（412.4×10? m3/年），SSP5–8.5居中（560.2×10? m3/年）。土地利用情景下产水量变化范围较小（552.6–565.4×10? m3/年），表明气候变率是产水量波动的首要驱动因素。
2. 参数不确定性分析（Parameter uncertainty）：通过交叉组合λ（0.5、0.7、0.9）和φ（0、0.5、1），获得九种参数配置下的分配结果。在水资源充足的SSP1–1.9情景下，本地水占主导（70.9%–76.6%），南水北调东中线（ECR）和西线（WR）贡献较小；而在水资源最匮乏的SSP2–4.5情景下，本地水比例降至39.9%–54.2%，西线贡献增至26.2%–36.6%，凸显了南水北调在缓解缺水中的关键作用。置信度λ与本地水占比呈正相关，满意度φ与外部水源利用程度正相关，表明模型可灵活适应不同风险偏好。
3. 气候变化下的最优配置（Optimal allocation under climate change）：基于中立参数组合（λ=0.5, φ=0.5），分析三种气候情景下的最优分配模式。空间分配上，甘肃、宁夏、内蒙古和陕西受气候变化影响最大，其分配比例波动显著。在SSP1–1.9下，内蒙古和陕西合计占比超过35%；在SSP2–4.5下，陕西比例升至20.5%–21.9%，而宁夏比例从15.6%降至9.0%–11.9%。供水-需求关系显示，农业用水对情景高度敏感，在丰水条件下完全依赖本地水，在缺水条件下显著减少；生活与工业用水保持稳定多源配置。整体框架有效缓解了北方水资源压力。
4. 效益与排放的权衡（Trade-offs between benefits and emissions）：经济效率分析表明，山西省单位水效益最高，四川省最低。污染物排放方面，SSP1–1.9情景下总排放最高，SSP2–4.5最低，但SSP2–4.5的上界排放比下界高24.9%，源于极端干旱下农业用水增加导致污染物浓度升高。化学需氧量（COD）为主要污染物。宁夏（27.7%–34.4%）和内蒙古（22.9%–26.1%）为排放贡献最大的省份。通过构建四个政策情景（WGW、WGN、NGW、NGN），发现西线工程在缺水情景下使污染物负荷增加42.0%–79.9%，而在丰水情景下仅增加1.0%–18.4%，表明调水环境效应强烈依赖于区域水资源禀赋。

讨论部分总结了以下几点：产水量呈现非线性响应，气候变率是主因，土地利用干预效果有限，应优先考虑气候适应策略；IFBFP模型在不确定性处理上具有优势，能同时捕捉水文变率、调水波动和需求模糊性，并通过双层结构反映真实治理动态；政策启示表明，调水管理必须与污染负荷控制协同优化，缺水地区需实施更严格的排放控制和保守分配策略，宁夏和内蒙古应作为污染治理重点区域。

研究结论：本研究构建了气候变化下黄河流域水资源配置与污染控制的综合框架，包括基于InVEST-PLUS的产水量预测模块和基于IFBFP的不确定性优化模块。实证结果表明，气候变率是产水量变化的主要驱动因素（p<0.01），而土地利用情景差异不显著（p>0.05）。IFBFP模型独特地集成了IPP、FCP和FFP，以同时处理水文变率、调水波动和需求模糊性。结果显示，总供水量与污染物排放显著正相关；在缺水情景（SSP2–4.5和SSP5–8.5）下，南水北调西线工程使潜在污染物负荷增加42.0%–79.9%，而在丰水情景（SSP1–1.9）下仅增加1.0%–18.4。置信度水平和满意度度分析表明，较高的置信度导致更依赖本地水，较高的满意度鼓励更积极利用外部水源，证实了模型灵活容纳不同风险偏好的能力。本研究为跨流域调水背景下协调水资源配置优化与污染控制提供了结构化建模框架，为缺水地区的气候适应性水治理策略提供情景评估方法。然而，研究存在局限性：污染物排放估算基于最大允许排放标准，未考虑实际处理效果；经济与排放系数采用省级统计，可能引入空间代表性误差；未考虑地下水-地表水相互作用。未来研究可耦合水质模型、细化城市级数据，并开发动态决策支持系统。